彭曙光,王霽霞,張?jiān)份x

（廣東省工程勘察院，廣東 廣州 510510）

1 概述

巖溶地質(zhì)指的是由于水流的沖刷作用形成的地質(zhì)地貌。巖溶地區(qū)在我國的分布面積占總面積的30%以上，分布極為廣泛，主要集中在中南和西南地區(qū)。由于巖溶地區(qū)地下空洞多，土質(zhì)疏散，所以地下巖石體的力學(xué)強(qiáng)度非常容易在巖溶作用下改變，從而影響上層建筑，也加大了巖溶上方的土木建設(shè)的難度。而管波探測法的應(yīng)用能夠?qū)r溶周圍地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行勘察，從而保證了土木工程建設(shè)的安全。

2 管波探測法的原理

管波探測法是我國自主研發(fā)的一種巖溶勘察技術(shù)，它的工作方式是首先在地下打深孔，再在鉆孔中利用管波來勘察鉆孔旁一定范圍內(nèi)的地質(zhì)，從中發(fā)現(xiàn)軟夾層、溶洞等不良地質(zhì)，為之后的工程施工打下基礎(chǔ)。

根據(jù)彈性波理論，當(dāng)震動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，按照傳播空間可以分為面波和體波兩種。其中面波由瑞利(Rayleigh)波和勒夫(Love)波組成，面波在波阻抗附近傳播；體波則由縱波和橫波組成，體波可以在無限空間中傳播。當(dāng)鉆孔中充滿液體時(shí)，鉆孔會(huì)與周圍的地質(zhì)形成一個(gè)波阻抗，經(jīng)過的波與該界面相交時(shí)就會(huì)形成一個(gè)新震源，從而產(chǎn)生沿著鉆孔向下傳播的波，這就是管波。在界面處會(huì)發(fā)生振幅，公式如下：

式中：A——反射波的振幅；

A0——入射波的振幅；

R——界面的反射系數(shù)；

Z1、Z2——界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗。

界面的波阻抗差別可以通過反射波的強(qiáng)弱得到，通過分析放射波的特征，可以了解到波阻抗差異界面的情況，通過對波阻抗界面的分析就能夠得知到鉆孔周圍是否存在巖溶洞和軟夾層。在現(xiàn)有技術(shù)下，管波探測儀器能夠接收到的頻率在650～750Hz之間，而管波探測的頻率一般在150～3100Hz。根據(jù)半波長理論，管波探測法可以探測到直徑和管波波長相等的柱形范圍。即以鉆孔為中心，半徑為1.2m。管波探測有以下優(yōu)點(diǎn)：首先是工期短、成本低，在鉆探過程中即可完成勘察；第二點(diǎn)是管波的能量強(qiáng)、衰減速度慢，波形容易識(shí)別；第三點(diǎn)是探測精度高，受干擾因素低。

3 管波探測法的工作流程和影響因素

3.1 工作流程

圖1為管波探測法的基本工作流程。

圖1 管波探測法的基本工作流程圖

（1）根據(jù)工程的設(shè)計(jì)方案，將鉆孔鉆探至所要探測的地下巖體深度；

（2）做好鉆探清孔工作，在比較特殊的地區(qū)還必須在鉆孔內(nèi)放入PVC管，以防止設(shè)備被破壞，為孔內(nèi)的管波測試提供良好條件；

（3）根據(jù)地層的復(fù)雜程度和鉆孔深度的不同，使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行重復(fù)測試，從而獲取管波測試的時(shí)間剖面圖：

（4）對管波測試的時(shí)間剖面圖進(jìn)行分析，判斷該鉆孔的深度能否在該地質(zhì)下滿足要求；

（5）如果鉆孔的深度可以承受壓力，則可以結(jié)束鉆孔；否則的話則返回第二步繼續(xù)探測，直到鉆孔深度滿足需要。

3.2 影響因素

管波探測法主要會(huì)受到套管材質(zhì)和井液清澈度的影響：

一般當(dāng)套管的材質(zhì)為金屬時(shí)，比如鋼性管，就會(huì)影響設(shè)備對于反射波的吸收。這是因?yàn)橛膊牧系牟ㄗ杩古c井液的波阻抗差別較大，導(dǎo)致鋼管屏蔽了反射波，削弱了土壤層波阻抗差異界面的管波能量。從而導(dǎo)致了金屬管鉆孔會(huì)產(chǎn)生管波特征弱的現(xiàn)象。所以現(xiàn)在鉆孔套管所用的材質(zhì)一般為強(qiáng)度高塑料等軟材，這時(shí)井液的波阻抗會(huì)基本等同于塑料軟管，幾乎不會(huì)屏蔽反射波。但是會(huì)在管波時(shí)間剖面里產(chǎn)生與直達(dá)波相似的震動(dòng)干擾，該干擾震動(dòng)頻率低、能量強(qiáng)、長度穩(wěn)定，并且在直達(dá)管波后到達(dá)，且非常容易觀察到。

管波測試要求鉆孔內(nèi)必須灌滿液體，當(dāng)井液雜質(zhì)少的泥水或者清水時(shí)，測試的精準(zhǔn)度和靈敏度會(huì)很高；而當(dāng)井液渾水或者雜質(zhì)較多時(shí)，井液會(huì)嚴(yán)重削弱反射管波和直道管波的能量，管波的時(shí)間剖面會(huì)出現(xiàn)非常明顯的彎曲現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響測試結(jié)果。因此鉆孔必須要進(jìn)行清口處理。

4 管波探測法的工程實(shí)例

4.1 工程實(shí)例1

某工程準(zhǔn)備建造地上3層地下2層的大型一體化超市，場地位于河流下游的沖積平原地形，上層土質(zhì)主要為粗砂層、細(xì)砂層、淤泥、粘質(zhì)土、人為填土等，下層基層巖石為石灰?guī)r。場地底部的砂層下方幾乎全部為可溶性巖層，溶洞的比例超過70%，線巖的溶洞率更是高達(dá)37.5%,其中發(fā)現(xiàn)的最大的溶洞超過19m，溶洞為串聯(lián)狀連接。部分地區(qū)土洞裸露，最大的土洞高度為12.9m，上層砂層的表層水與巖溶水流通，基巖中存在軟弱夾層，地質(zhì)情況十分復(fù)雜。巖溶的強(qiáng)作用對于工程地基處理、基坑開挖以及其它基礎(chǔ)施工工作影響極大，在工程進(jìn)行期間或者完工后，很有可能會(huì)因?yàn)榈乇斫ㄖ|(zhì)量過大發(fā)生地陷、塌方等災(zāi)害，造成嚴(yán)重的后果。查明鉆孔持力層以及周邊的地質(zhì)情況，對于工作人員的定樁長度和溶洞的處理十分重要。

因此工程單位要求在一樁一孔鉆孔的基礎(chǔ)上,利用管波探測技術(shù)來探測樁底是否存在巖溶層和軟弱夾層。圖2是ZK11b孔的柱狀圖及探測說明,鉆孔在高程-5.39m處鉆入石灰?guī)r,至高程-13.20m處停止鉆孔,鉆孔內(nèi)巖石連接完整，沒有發(fā)現(xiàn)空洞。在管波探測法時(shí)間剖面中位于土層的-2.4m處和基巖層附近-5.3m處以及-9.5m附近的反射管波十分強(qiáng)烈,其中-9.5m附近的能量很強(qiáng)。根據(jù)管波探測法原理，此處鉆孔旁存在著巖溶強(qiáng)發(fā)育的現(xiàn)象,巖溶頂?shù)捉缑娓叱虨?8.39m、-9.39m,由此可以證明巖溶洞的確存在。

圖2 ZK11b孔的柱狀圖及探測結(jié)果

4.2 工程實(shí)例2

該工程為某地高架橋，G15鉆孔為樁位的中心鉆孔,探測發(fā)現(xiàn)在-17.19m以下全部為石灰?guī)r。根據(jù)管波探測技術(shù)分析-17.5～-19.65m處有多個(gè)并行溶洞,-19.65m深處下才是連續(xù)的基巖層。根據(jù)工程方的需要,技術(shù)人員在G15孔周圍鉆4個(gè)鉆孔來驗(yàn)證管波解釋的巖溶發(fā)育段的存在情況和完整基巖段的完整情況，以G15孔為中心，其余驗(yàn)證孔距離中心孔為70cm。結(jié)果見圖3。

圖3 G15鉆孔探測結(jié)果及驗(yàn)證情況

在對4個(gè)驗(yàn)證孔進(jìn)行分析后,運(yùn)用管波探測法分析G15-2的基巖面處于巖溶洞的下方位置,而且基巖面的圓石是溶洞中水流沖刷的結(jié)果。而G15-3則發(fā)現(xiàn)溶洞。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),確實(shí)存在管波探測顯示的巖溶發(fā)育段,而測試結(jié)果也與巖溶發(fā)育段的底界吻合。在所有測試孔中，管波解釋的基巖(-19.65～-26.9m高程段)均完整。在管波法解釋的“溶蝕裂隙發(fā)育段”內(nèi)在各自的4個(gè)驗(yàn)證孔中②至少有1個(gè)驗(yàn)證孔在相應(yīng)深度位置的巖芯較破碎。而管波法解釋的“溶蝕裂隙發(fā)育段”內(nèi)的各自的4個(gè)驗(yàn)證孔中，至少有1個(gè)驗(yàn)證孔在相應(yīng)深度位置揭露有溶蝕現(xiàn)象。

5 管波探測技術(shù)的弊端與發(fā)展方向

用管波探測法可以確定鉆孔旁是否存在溶洞，但不能確定溶洞的位置，也無法確定溶洞和鉆孔中心的位置。因此，管波探測法并不適用于直徑在2m之上的樁位勘察。

土洞與土層之間并沒有明顯的物理性質(zhì)差異，因?yàn)閮烧咧g的管波波阻抗差異界面近乎相似，所以管波法對于土洞的反映不明顯。兩者的波形均為低能量的“白色帶”，管波的波形圖像特征都很相似。土洞的存在給施工人員和設(shè)備帶來了巨大的隱患，威脅著基礎(chǔ)施工的進(jìn)行。

當(dāng)前，管波探測設(shè)備產(chǎn)生的管波并不能夠徹底通過鉆孔套管的護(hù)壁，套管內(nèi)可獲得的所得的信息不準(zhǔn)確，很難判斷出周圍溶洞的發(fā)育和分布情況。

管波探測法已經(jīng)在我國的工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。根據(jù)目前的應(yīng)用效果來說，在超前探測時(shí)期，管波探測技術(shù)能夠只依靠一個(gè)鉆孔，就能直接確定鉆孔直徑范圍內(nèi)是否有軟弱夾層和溶洞的存在，了解持力層是否完整，在樁位設(shè)計(jì)、施工和保持鉆孔持力層完整方面有著良好的作用，從而可以為設(shè)計(jì)更準(zhǔn)確地定樁端位置提供可靠依據(jù)。

管波探測法的成功率幾乎是100%，使用了該技術(shù)的工程，在抽芯檢驗(yàn)時(shí)土層往往連續(xù)，沒有發(fā)現(xiàn)地下空洞。目前，管波探測技術(shù)只能檢測周圍是否存在溶洞，卻無法確定其具體位置與距離。距離的問題可以通過改變管波頻率的方式來解決，但這一技術(shù)仍在開發(fā)中；方位的問題其實(shí)并沒有解決的必要，對選擇樁端位置的意義不大。

而對于已經(jīng)施工完成的工程，通常會(huì)利用鉆芯法、反射波法以及聲波透射法來檢測工程是否存在隱患。鉆芯法往往只能觀測到鉆孔內(nèi)的情況，發(fā)射波法由于設(shè)備在基樁頂部發(fā)射和接收訊號(hào)，離溶洞位置過遠(yuǎn)而失去作用，而聲波透射法發(fā)出的是高頻聲波，所以往往只能穿透部分巖層。而管波探測法則可以與鉆芯法相結(jié)合，在基樁的抽芯鉆孔中利用管波探測技術(shù)來檢測基樁存在的問題。

6 結(jié)語

根據(jù)以上分析，我們可以得出有關(guān)于管波探測法的相關(guān)結(jié)論：第一點(diǎn)是管波探測法的靈敏度和準(zhǔn)確度相當(dāng)高，能夠避免取芯率低和操作人員失誤以及設(shè)備操作不當(dāng)帶來的誤差；第二點(diǎn)是管波探測法要優(yōu)于其他技術(shù)手段，管波探測法得到的溶洞數(shù)據(jù)要更清晰，能夠測得的最大溶洞高度也高于其他手段，對于隱蔽的溶洞也有一定的勘察能力；最后一點(diǎn)是管波探測在樁身質(zhì)量檢測以及樁端持力層質(zhì)量檢測中都能起到較好的作用，將管波探測法與鉆芯法相結(jié)合能夠更加直接、有效、全面地發(fā)現(xiàn)樁基持力層的巖溶發(fā)育情況。

雖然管波探測法還需要很多方面的改進(jìn)，但其在巖溶勘察中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它勘察手段，特別是在評(píng)估樁端持力層的完整度、指導(dǎo)樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以及施工方面有更多優(yōu)勢，因此值得在更多的石灰?guī)r地區(qū)推廣、使用。